大雪山煤礦有線隨鉆定向鉆進技術應用

王宗友， 喬生貴， 陳 剛， 何逢陽

(四川省煤田地質局一四一隊，四川 德陽 618000)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，國家工業(yè)基礎越來越厚實，工業(yè)制造能力逐步強大，在鉆探工程領域的隨鉆測量技術、定向鉆具更加成熟與可靠。隨鉆測量技術[1]、螺桿鉆具受控定向鉆進在石油、天然氣、頁巖氣等大孔徑鉆探中應用較為成熟和廣泛，然而在小孔徑固體礦產(chǎn)使用繩索鉆桿鉆進中，隨鉆測斜與糾斜技術目前應用仍不普遍。無纜隨鉆測量(MWD)與有纜隨鉆對比投資高，一方面小口徑固體礦產(chǎn)鉆探配置的泥漿泵排量不能完全滿足無纜隨鉆泥漿脈沖信號穩(wěn)定傳輸?shù)囊?，二是煤田鉆探多為復雜地層鉆進，護壁質量不高，泥漿不能完全上返影響泥漿脈沖信號穩(wěn)定傳輸。有纜隨鉆成本低，國內技術已經(jīng)成熟，可據(jù)孔內定向鉆進情況實現(xiàn)隨鉆監(jiān)控，比單點儀更先進。我隊在四川省珙縣王家鎮(zhèn)大雪山煤礦東段普查項目中，采用繩索取心鉆桿、有線隨鉆測斜儀、螺桿鉆具定向鉆進使鉆孔軌跡按設計軌跡達到地質目的層及控制標高。

1 工程概況

2014年我隊承擔地質勘查基金項目“四川省珙縣筠連礦區(qū)大雪山礦段(東段)煤礦普查”勘查任務。項目普查區(qū)位于落木柔背斜南翼、大雪山向斜之北翼，總體呈傾向向南的單斜構造，從西向東，地層傾角72°～83°，其走向幾乎為正東西方向，傾向向南。煤系地層層位厚、傾角大。地質設計鉆孔為75°斜孔。經(jīng)現(xiàn)場踏勘，地質、鉆探技術負責人確定的鉆孔孔位，斜孔頂角須>12°，才能達到設計目的,為此制定了有線隨鉆定向鉆進工藝技術方案。

2 地質鉆孔設計

ZK13-2、ZK17-2鉆孔地質設計見表1。

表1 鉆孔地質設計

3 鉆探施工技術方案

3.1 主要鉆探設備

鉆塔：23 m直斜兩用塔；

鉆機：XY-2000型鉆機，鉆進能力N口徑繩索鉆桿2000 m或H口徑繩索鉆桿1700 m；

泥漿泵：BW-320/10泵型，4個擋位，流量118～320 L/min，壓力2.2～10 MPa。

3.2 鉆進工藝及主要鉆具

采用繩索取心金剛石鉆進工藝，能大幅度減小起鉆及輔助時間，提高鉆進效率及巖礦心采取率[2]。配套HC、NC繩索鉆桿。造斜回次為無巖心鉆進。

3.3 鉆孔結構設計

采用四級鉆孔結構：用?150 mm鉆頭開孔，穿過覆蓋層進入基巖；下好?146 mm井口管并做好井口止水工作；?130 mm鉆進至巖石完整層段換?91 mm繩索鉆桿鉆進(鉆頭外徑98 mm)；?98 mm鉆進至設計深度或鉆至煤系頂板井段換?77 mm終孔。?130 mm段據(jù)孔內情況，一是作為備用，二是視基巖完整程度采用水泥固井，可不下入?127 mm套管。

3.4 鉆孔軌跡設計

據(jù)機械設備、繩索取心工藝，鉆孔ZK13-2以頂角4°，方位角352°的角度開孔；鉆孔ZK17-2以頂角4.5°，方位角355°的角度開孔，每100 m增斜1.5°～2°,控制鉆孔軌跡達預計標高后穩(wěn)斜鉆進達到目的層控制標高，ZK13-2孔鉆孔軌跡設計見圖1。

4 有線隨鉆定向鉆進施工工藝及技術

4.1 有線隨鉆定向鉆進使用的儀器及鉆具

4.1.1 造斜鉆頭

根據(jù)巖石硬度及地層情況選擇不同的鉆頭類型，對于硬度較軟的砂巖、泥巖選擇PDC造斜鉆頭(圖2)，對于較硬的灰?guī)r、砂巖選擇表鑲金剛石全面造斜鉆頭(圖3)。

圖1 ZK13-2孔鉆孔軌跡設計圖

圖2 PDC造斜鉆頭圖3金剛石全面造斜鉆頭

4.1.2 螺桿鉆具、定向接頭

(1)螺桿鉆具規(guī)格及性能參數(shù)為：5lZ73×7型、L-3-600型鉆具，排量176～616 L/min，轉速167～589 r/min，工作壓降2.4 MPa，輸出扭矩317 N·m，最大壓降3.39 MPa，最大扭矩448 N·m，工作鉆壓12 kN，最大鉆壓25 kN，最大功率24 kW，長度3910 mm。

(2)定向接頭。選擇的2種螺桿鉆具定向接頭角度1.25°、1.5°。

4.1.3 ADST有線隨鉆測斜儀

4.1.3.1 系統(tǒng)組成

采用北京長城博創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)的ADST有線隨鉆測斜儀，其組成如下。

探管：這是測量儀器的核心部件，用來測量井底的井斜(INC)、方位(AZ)、工具面(GHS/MTF)、溫度(T)等參數(shù)。

接口箱：接口箱連接探管、司鉆閱讀器、計算機。用于對探管、司鉆閱讀器供電及相互間的數(shù)據(jù)傳遞。

司鉆閱讀器：用于為司鉆及技術人員顯示井斜、方位、工具面等數(shù)據(jù)。

掌上電腦：為ADST測斜儀隨鉆測量時的終端顯示設備?；赪indows CE 平臺開發(fā)的嵌入式隨鉆應用軟件SADST。

井下保護總成：是ADST測斜儀配套的在井下使用時，起到抗壓、減振、加長/加重作用的保護套件。

4.1.3.2 技術性能參數(shù)

儀器測量范圍及精度見表2。

表2 ADST有線隨鉆測斜儀性能參數(shù)

4.1.4 通纜水龍頭

通纜水龍頭上部結構安裝見圖4，液壓油缸是外部液壓系統(tǒng)組成之一。外部液壓系統(tǒng)含油缸、密封件、油管和液壓泵。將液壓油缸安裝在通纜水龍頭上后，下放測斜儀到鉆桿內，并安裝密封件，在開動泥漿泵前啟動液壓泵，液壓通過油管至液壓缸壓緊密封件，開泵后通纜水籠頭無漏漿時方可造斜作業(yè)。

圖4 通纜水龍頭上部安裝示意圖

4.1.5 測斜儀配套設備及儀器

測斜儀地面配套設備有自排繩電動絞車、絞車控制儀。其它輔助裝置有天滑輪、地滑輪。造斜鉆進配套器具安裝見圖5。

圖5 造斜鉆進配套器具安裝示意圖

4.2 有線隨鉆定向螺桿馬達鉆進工作原理

泥漿泵排出的液體經(jīng)旁通閥流經(jīng)馬達，在壓差的作用下，馬達定子與轉子作行星運動，萬向連軸節(jié)將馬達的行星運動傳給傳動軸的軸向轉動，并將馬達的扭矩及轉速傳遞給傳動軸至鉆頭。萬向軸上殼體與定位套、定向接頭相連，通過定位鍵按設計的方位造斜，僅軸向傳遞動力給鉆頭振動沖擊破碎巖石，鉆具不轉動。隨鉆測斜儀器置于螺桿馬達后部的無磁鉆桿中，它提供了鉆頭的當前方位、頂角和工具面向角，在必要的時候，可通過調整工具面向角，改變鉆頭的方向，達到控制鉆孔軌跡的目的[3-7]。

4.3 定向鉆進程序

4.3.1 技術與設備狀態(tài)準備

(1)孔徑要與造斜鉆頭匹配，孔內不能殘留巖心。

(2)沖洗液種類選擇及性能指標：完整穩(wěn)定的砂巖地層選擇無固相沖洗液，泥巖、粉砂質泥巖等水敏性地層選擇低固相沖洗液。沖洗液主要性能指標見表3。

表3 沖洗液主要性能指標

(3)泥漿泵及管路安裝檢查：主要檢查泥漿泵擋位靈活性，設備狀態(tài)、泵量及壓力表是否正常，壓力管道連接是否可靠、牢固；泥漿泵吸水管籠頭提離池底0.5 m,用篩網(wǎng)包好。

(4)鉆具組合：基本鉆具組合為：通纜水龍頭+?89 mm主動鉆桿+下接手+?91 mm繩索鉆桿+專用接手+?71 mm無磁鉆桿(定向測斜儀器)+?73 mm螺桿鉆具(定向接頭)+?95 mm造斜鉆頭。

(5)螺桿鉆具組裝：把無磁鉆桿、螺桿鉆具、鉆頭組裝好，必要時通過一定的連接方式檢查螺桿馬達啟動和運轉是否正常。

4.3.2 調整綜合角差

螺桿鉆具彎外管上有一條母線，定向接頭絲扣連接彎外管，定向接頭上刻有一條母線，與彎外管母線很難對中重合，存在著一定角差，稱作“裝合差”。每拆一次螺桿鉆具彎外管和定向接頭，須測量一次“裝合差”值。由螺桿至鉆頭方向，順時針測量所得的角度取“+”值，逆時針測量所得的角度取“-”值。儀器綜合角差值指測斜儀器由于是絲扣連接，本身產(chǎn)生的儀器誤差，需校正，校正后得儀器校正值。綜合角差值=“裝合差”+儀器校正值,將校正后的綜合角差值輸入電腦，連接好儀器設備。

4.3.3 有線隨鉆定向鉆進操作

鉆具下入孔底，將鉆頭提離井底0.3～0.5 m。隨鉆測斜儀器經(jīng)通纜水龍頭、鉆桿、無磁鉆桿到定向接頭。通過下放測斜儀使下端定向鍵順利卡進定向接頭內的斜口管靴進行做鍵，當重力高邊連續(xù)3次數(shù)值在±3內，見隨鉆測量界面(圖6)，完成做鍵，打壓封閉液壓油缸。

圖6 隨鉆測量界面

做好鍵后，預留30°～50°扭轉角,將螺桿鉆具工作面方向調整到40°方位后，用管鉗鉗住主動鉆桿，通過人力輔以綁繩固定，開動水泵，啟動螺桿鉆，開始定向造斜。在鉆進過程中通過調整管鉗綁繩的松緊來控制鉆進的方位，主要以控制工具面的角度(重力高邊)來控制鉆進的方位。

5 有線隨鉆螺桿定向鉆進配套器具及技術

(1)泥漿泵性能：衡陽探礦機械廠產(chǎn)BW-320/10型(配?60 mm柱塞)泥漿泵，其流量及泵的壓力基本滿足定向鉆進要求；造斜時水泵2擋165 L/min泵量，泵的壓力達4 MPa，若3擋230 L/min泵量，泵壓將達8 MPa左右。鉆孔深度>1200 m，應配BW-300/16型泵。

(2)沖洗液性能：沖洗液要具有一定的粘度，便于攜帶巖粉，能抑制泥頁巖水化保護孔壁，潤滑鉆具，減少鉆具與孔壁之間的阻力。無固相泥漿中加化學處理劑PHP、Na-CMCA及高效潤滑劑；低固相泥漿選擇造漿性能好的鈉土；加入磺化瀝青保護孔壁。泥漿攪拌時間達到15 min以上。配置旋流除砂器和振動篩除去鉆井液中的有害固相。

(3)鉆壓：根據(jù)定向鉆進鉆速調節(jié)控制鉆壓，保持定向鉆進勻速進尺。過大的鉆壓將使螺桿鉆“制動”。在實際操作中，鉆壓略低于正常取心鉆進時鉆壓，一般控制為1000～1200 kg。

(4)繩索取心鉆桿：材質45MnMuB,整體調質, 外徑91 mm、壁厚5.8 mm、螺紋長度50 mm，基本滿足1500 m內定向鉆進。發(fā)生絲扣折斷1次，超深定向孔應配加厚型繩索取心鉆桿。

6 有線隨鉆定向鉆進效果分析

2個鉆孔均使用PDC鉆頭，共造斜29回次，總進尺73.78 m(見表4)，設計與實鉆測斜數(shù)據(jù)測井對比見表5。

表4 定向鉆進數(shù)據(jù)統(tǒng)計

ZK13-2 鉆孔定向鉆進深度至1094 m，1094 m深度以下控制鉆壓穩(wěn)斜鉆進。從600～1100 m頂角增量與設計差2°～3°，進入深部煤系未再造斜，頂角偏差3°～4°，方位偏差3°。因此，定向鉆探軌跡要與設計軌跡基本吻合，控制好淺部鉆進頂角增量和造斜距相當關鍵。ZK17-2 孔定向鉆進深度至1046.18m，造斜角度和定向頻率上控制相對較好，定向鉆進軌跡也較平滑。經(jīng)分析:?91 mm繩索取心鉆桿，1.5°彎頭，造斜彎曲強度平均0.57°，應不超過0.6°，過大鉆桿孔壁阻力大，不利于壓力傳導及采取巖心。有線隨鉆繩索取心定向鉆進工藝技術在四川省珙縣王家鎮(zhèn)大雪山煤礦的應用達到了地質目的。

表5 設計與實鉆測斜數(shù)據(jù)對比

注：ZK13-2孔設計方位角352°，ZK17-2孔設計方位角352°。

7 經(jīng)濟、社會效益分析

陡急傾斜地層，若采用直孔設計，鉆孔較深，或達不到地質目的；有線隨鉆定向鉆進技術的采用，降低了設計鉆孔工作量，減少投資費用。以17-2號孔為例，定向斜孔見主煤層8號煤深度1142.91 m，若直孔設計見8號煤(傾角72°)推算深度1929.43 m,節(jié)省鉆尺786.52 m，按地質調查預算標準(2010年試用)測算，Ⅶ類地層，定向斜孔在單價基數(shù)1287元基礎上上浮30%，直孔>1200 m時，每100 m上浮5%，僅鉆探一項減少投資144萬元。對于復雜孔內事故，可以采用此技術繞過事故段，節(jié)省大量事故處理時間。

8 獲得的成果及下一步工作的方向

8.1 獲得的成果

掌握了定向鉆孔空間軌跡的測控技術及方法，積累了川南煤田勘探鉆孔繩索取心工藝鉆桿適宜的定向鉆進彎曲強度數(shù)據(jù)，初步建立地層、定向接頭度數(shù)、造斜鉆頭類型、繩索取心鉆桿、彎曲強度之間的聯(lián)系，有線隨鉆繩索取心定向鉆進工藝的技術控制要點。

8.2 下一步工作的方向

可加大開孔立軸斜度，減少定向鉆進工作量；做好彎曲強度及鉆孔軌跡的優(yōu)化，以適應繩索取心鉆桿鉆進；使用負角度螺紋[8]或加厚型繩索鉆桿，提高繩索鉆桿絲扣強度與韌性；鉆井液的選型和性能優(yōu)化及固相控制系統(tǒng)的配套使用，提高螺桿鉆具使用壽命。

[1] 吳光琳,湯順德.鉆孔彎曲和定向鉆探[M].四川成都:成都地質學院出版社，1984:129-131.

[2] 張春波，等.繩索取心金剛石鉆進技術[M].北京:地質出版社，1985:4-9.

[3] 周鐵芳.關于螺桿鉆隨鉆測量定向鉆探的研究[J].探礦工程，1986，(5):3-8.

[4] 周鐵芳，陽東升.螺桿鉆定向鉆探技術研究與應用[J].探礦工程,1996,(4):53-55.

[5] 張純峰,孫貴生.螺桿鉆進技術在煤田地質勘探中應用[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程),2008,35(12):19-20.

[6] 謝宏軍,索曉晶.定向鉆探技術在黑龍江金廠礦區(qū)的應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2014,41(6):25-28.

[7] 鄒道全.受控定向鉆進技術在福建馬坑礦區(qū)的應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2016,43(1):75-79.

[8] 高申友，孫建華, 蔡紀雄,等.繩索取芯鉆桿負角度螺紋扭矩計算分析和測試研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2016,43(5):50-55.